堆石混凝土重力壩溫度應力仿真分析及溫控措施研究

張媛媛

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710004）

0 引言

大體積混凝土壩的防裂性能是影響大壩工程質量的三大關鍵問題之一[1]。雖然堆石混凝土具有水泥用量低,水化熱低的特點,但是工程實踐表明,由于堆石混凝土壩通常不分縱縫,僅僅靠自然散熱,導致大壩內部高溫持續時間較長,尤其是重力壩,壩體要降到穩定溫度的過程十分漫長[2]。特別是在低溫季節或遇到寒潮時,會因為較大的內外溫差引起壩體表面裂縫。重要部位的裂縫,很可能會影響到大壩的使用功能,還有可能破壞大壩穩定,造成嚴重的安全事故。因此,有必要對堆石混凝土重力壩的溫度應力進行分析,為控制溫度裂縫提供依據[3]。

本文以滿坪水庫為研究對象,通過大型有限元分析軟件,對堆石混凝土重力壩的溫度場和應力場進行了有限元計算和仿真分析,提出了合理的溫控措施,為類似工程提供了工程借鑒。

1 工程概況

滿坪水庫位于青海省民和縣滿坪鎮前河溝上游小峽門溝口處,庫區海拔高度在2500 m~2600 m之間,氣候寒冷,人飲和灌溉是水庫的主要功能,同時兼顧防洪和改善河道生態。

該水庫總庫容108.4×104m3,其中死庫容4.79 萬 m3,興利庫容98.2 萬m3,防洪庫容5.407 萬 m3；相應死水位2489.68 m,校核洪水位2539.34 m,設計洪水位2539.06 m,正常蓄水位2538 m。該水庫屬Ⅳ等?。?）型工程,主要建筑物級別為4 級,次要和臨時建筑物級別為5 級。水庫大壩的防洪標準采用50 年一遇設計（洪峰流量50 m3/s）,200年一遇校核（洪峰流量68.3 m3/s）,臨時建筑物防洪標準采用10年一遇（洪峰流量29.4 m3/s）。

本工程的主要建筑物由非溢流壩、溢流壩、放水管和導流底孔四大部分組成。其中,大壩為堆石混凝土重力壩,壩頂長度130 m,壩頂高程2540.8 m,壩頂寬度為6 m,最大壩高77 m。

2 計算理論

（1）溫度應力

式中：[B]為應變與位移的轉換矩陣；[D]為彈性矩陣。

（2）仿真應力

混凝土是彈性徐變體[4],在仿真計算中要考慮混凝土的徐變影響,否則計算出來的溫度應力偏大,而且偏差可能比較嚴重。

混凝土的徐變柔度[4]為：

式中：{?Pn}L為外荷載引起的結點荷載增量； {?Pn}C為徐變引起的結點荷載增量；{?Pn}T為溫度引起的結點荷載增量；{?Pn}0為自生體積變形引起的結點荷載增量； {?Pn}S為干縮引起的結點荷載增量。

由式（4）求出各個結點的位移增量之后,由式（3）求得應力增量,累加以后得到各個單元τn時刻的應力。

3 壩體溫度應力計算

本次計算運用混凝土結構溫控防裂全過程仿真計算軟件（WKFLRJB）和 SAPTIS程序。由于本篇對大壩施工期及運行期全過程進行應力分析,則可選擇典型壩段進行單壩段仿真計算[5],即以泄流底孔壩段為典型壩段,為考慮不同壩段寬度的影響,將壩段寬度設置為22 m。如果22 m寬的泄流底孔壩段能滿足抗裂要求,那么17 m寬的溢流壩段和22 m寬的擋水壩段均能滿足要求。

3.1 泄流底孔壩段計算模型

混凝土是彈性徐變體[6],在計算溫度應力時應考慮混凝土徐變,不計自生體積變形。計算模型見圖1,計算網格共有26055 個單元,31474 個結點,361 個縫單元。計算過程中將各壩段的坐標原點設于0 高程水平面、壩縱+0.0 平面和壩橫+44.85,定義順河方向為X軸正方向,由右岸到左岸方向為Y軸正方向,建基面高程往上為Z軸正方向。

圖1 壩體網格圖

3.2 泄流底孔壩段計算工況

在混凝土壩施工中,影響壩體溫度和溫度應力的因素很多,溫度變化過程十分復雜。影響溫度應力的主要內因是溫度變化,主要外因是結構約束。因此,溫度控制主要應從內因和外因兩方面進行把握。計算工況有兩種,工況1采用了一系列溫控措施,如控制澆筑溫度,高溫季節采用表面流水降溫,冬季采用表面保溫措施等。工況2 在采用溫控措施的基礎上,在上游防滲板增設伸縮縫。壩體每22 m設置一道橫縫,上游面設有1.0 m~1.5 m防滲面板,防滲面板每11 m設置一道伸縮縫[7]。

3.3 溫度場和應力場計算結果分析

3.3.1 工況1計算成果分析

本節研究采用簡單溫控措施的影響,上游防滲面板不設伸縮縫。對于中小型堆石混凝土壩,堆石混凝土的水化熱溫升較小,在低溫季節澆筑考慮選擇簡單易行的溫控措施。然而對于大體積高壩來說,特別是在高溫時期連續施工,澆筑溫度高導致最高溫度較大,不采用溫控措施難以保證質量。因此,采取溫控措施應從減小內外溫差的角度來解決。具體可控制澆筑溫度,采用表面流水、表面保溫等措施。

最大壩高剖面最高溫度包絡圖見圖2,混凝土的最高溫度位于壩體內部,澆筑季節直接影響最高溫度的數值高低,大壩頂部高溫季節澆筑的混凝土最高溫度為24℃左右,大壩中下部相對低溫季節澆筑的混凝土最高溫度為16℃左右。大壩上游面的混凝土溫度在蓄水之前隨氣溫周期性變化,在蓄水之后隨庫水溫周期性變化,并且下游面的混凝土溫度在蓄水之后隨氣溫周期性變化。通過計算大壩最大壩高剖面的穩定溫度場和準穩定溫度場可知,下部高程的大壩穩定溫度場為8℃左右,上部高程的大壩穩定溫度場為10℃左右。

圖2 最大壩高剖面最高溫度包絡圖

利用低溫時段澆筑混凝土,壩體拉應力較小,適當控制澆筑溫度,可以降低最高溫度與溫差,從而降低壩體拉應力,可不采取分縫和溫控措施。堆石混凝土根據試驗和計算成果,在仿真分析時取最大溫升值為15℃。當氣溫小于15℃時,澆筑溫度等于氣溫,當氣溫高于15℃時,澆筑溫度按15℃考慮。在蓄水前施工期低溫季節（10月~3月）上游面、下游面與倉面都應采用表面保溫措施[8],也就是采用2 cm厚聚苯乙烯泡沫板,并且應保證覆蓋嚴密、搭接完好,實際施工時按保溫板下部溫度不低于1℃控制。

而對高溫期澆筑的混凝土來說,應考慮采用表面流水或者避開高溫時段澆筑的方式散熱。

采用表面流水降溫,蓄水前施工期氣溫高于15℃時,上下游面、倉面溫度取15℃。

選取最能代表大壩溫度應力的應力包絡圖,即為工況1大壩上游面最大橫河向應力包絡圖（見圖3）。滿坪水庫工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4級建筑物,抗裂安全系數取1.5,并以此確定各混凝土分區的抗拉強度和允許拉應力,見表1、表2。

圖3 上游面最大橫河向應力包絡圖

表1 混凝土抗拉強度 單位：MPa

表2 混凝土允許拉應力 單位：MPa

計算可得,內部最大橫河向應力為0.6 MPa。長間歇面附近上游面橫河向拉應力為1.4 MPa。2475 m~2480 m上游面橫河向拉應力為1.4 MPa。長間歇面附近下游面橫河向拉應力為1.4 MPa。2475 m~2480 m上游面橫河向拉應力為0.8 MPa。上游面豎向拉應力為1.4 MPa。均滿足防裂要求。

總之,上游防滲面板不設置伸縮縫時,只采取簡單溫控措施,上游防滲板和壩體頂部較薄且高溫澆筑的堆石混凝土體的拉應力較大。

采取簡單溫控措施后,各月最高溫度見表3。

表3 采取簡單溫控措施各月最高溫度 單位：℃

3.3.2 工況2計算成果分析

青海屬于高海拔地區,冬夏季節溫差大,溫度作用明顯,壩體在溫差作用下存在較大的拉裂風險[9]。不進行上游防滲面板的分縫,只采取簡單的溫控措施,壩體的拉應力削減作用有限,因此本節繼續采用工況1的溫控措施,研究采用防滲板分縫對溫度應力的影響。

如圖4~圖5所示為最大壩高剖面最高溫度包絡圖,上游面最大橫河向應力包絡圖。與工況1相比,本工況針對上游防滲板的拉應力較大問題。對比兩個工況的上游面橫河向拉應力包絡圖可知,分縫后,約束條件降低,上游面拉應力有顯著降低。長間歇面附近上游面橫河向拉應力由1.8 MPa降低至1.0 MPa,2475 m~2480 m高程上游面拉應力由1.8 MPa降低至0.8 MPa。分縫后,上游面橫河向拉應力均控制在1.0 MPa以內。均滿足防裂要求。

圖4 大壩最大壩高剖面最高溫度包絡圖

圖5 上游面最大橫河向應力包絡圖

4 結論與建議

本文研究了滿坪水庫堆石混凝土壩的溫度場和溫度應力規律,研究了兩種工況對壩體溫度場和應力場的影響,結論如下：

（1）溫度場分布規律：混凝土澆筑溫度越高,混凝土內部達到的峰值溫度就越高,并且最大拉應力與澆筑溫度幾乎呈正相關,表明混凝土的入模溫度是影響溫度應力的關鍵因素之一,因此施工時要嚴格控制澆筑時混凝土的初始溫度。

（2）應力場分布規律：堆石混凝土壩采用簡易溫控措施之后,防滲板分縫的工況下的溫度應力值可以控制在較小范圍內,上游面拉應力有顯著降低,優于不分縫的工況。由此可見,在堆石混凝土壩施工中,上下游面采用防滲板防滲時,設置伸縮縫十分必要,它對于溫度控制具有十分重要的意義。

綜上所述,堆石混凝土的溫度控制應以仿真計算成果為依據,利用低溫時段澆筑的優勢施工,而在高溫時段應利用上下游防滲板的分縫并采取簡易可行的溫控措施,既快速又高質地完成筑壩目標。